備課素材：囊泡及其運輸調(diào)控機制 第一學期高中生物學必修一

囊泡及其運輸調(diào)控機制2019版高中生物學必修一介紹了囊泡:細胞分成很多不同的工作區(qū)域，區(qū)域之間靠囊泡溝通:那么,“囊泡”是什么？它們的運輸調(diào)控機制究竟怎樣？2013年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎授予美國科學家詹姆斯-E.羅斯曼和蘭迪-W.謝克曼、德國科學家托馬斯-C.蘇德霍夫，以表彰他們發(fā)現(xiàn)細胞內(nèi)部囊泡運輸調(diào)控機制“指揮交通”。蘭迪·謝克曼發(fā)現(xiàn)了控制囊泡運輸?shù)牡鞍踪|是哪些基因表達的。囊泡運輸?shù)倪^程是否正常，與這組基因是否正常表達有直接關系

“收信地址”

詹姆斯·羅斯曼發(fā)現(xiàn)一種蛋白質化合物，可以讓囊泡實現(xiàn)與目標細胞膜的準確結合

“送貨時間”

托馬斯·祖德霍夫探索細胞內(nèi)囊泡在指令來了以后如何準確、有效地釋放內(nèi)容物

囊泡很忙

細胞里有不計其數(shù)形似皮球的囊泡，這些囊泡通過將細胞本身產(chǎn)生的一些分子與物質包裹起來進行傳送，以滿足生命活動

要說囊泡，首先得講講細胞。

“我們每個人身體內(nèi)大概有1×1014—1×1015個數(shù)量級的細胞，這么多細胞活動的總和就是我們生命的表現(xiàn)，包括人的生長、發(fā)育、遺傳、變異、衰老、死亡等?！绷_深秋說，完成這個復雜的生命過程，需要不同細胞的分工合作，“但不管是什么樣的細胞，它們的一些基本活動是一致的，如細胞內(nèi)部及彼此間的一些物質交換。而在很多時候，這些物質交換就是通過細胞內(nèi)的囊泡來實現(xiàn)?！?/p>

“囊泡就像一個皮球?！绷_深秋形容，它的“皮”就是所謂的生物膜。在細胞這個繁忙的“工廠”中，不計其數(shù)的囊泡通過將細胞本身產(chǎn)生或從外面進來的一些分子與物質包裹起來進行傳送，以滿足生命活動。

“具體來說，這些物質的傳遞有兩個方向，一個是細胞內(nèi)，一個是細胞外。有些分子與物質往往不能直接穿過細胞膜傳遞到細胞外的，而需要通過囊泡與細胞膜的融合來進行細胞外傳遞?！绷_深秋說。

可見，囊泡很忙，需要日夜穿梭。但如果傳輸雜亂無章，必然會讓細胞陷入紊亂的狀況，那是誰來“指揮交通”？

作為本屆諾獎獲得者之一，科學家蘭迪·謝克曼（RandyShekman）找到了答案?！澳遗葸\輸調(diào)節(jié)通常是由蛋白質實現(xiàn)的，而蛋白質又是通過基因的表達活動實現(xiàn)，謝克曼發(fā)現(xiàn)的就是控制囊泡運輸?shù)倪@些蛋白質是哪些基因表達的，因此，囊泡運輸?shù)倪^程是否正常，與這組基因是否正常表達就有直接關系?！绷_深秋解釋。

“指揮交通”的有了，那“收信地址”在哪里？

另一位獲獎者詹姆斯·羅斯曼（JamesRothman）給出了這個問題的答案。他發(fā)現(xiàn)的一種蛋白質化合物，可以讓囊泡實現(xiàn)與目標細胞膜的準確結合。“這就是一個‘接頭’的過程?！绷_深秋解釋說，“囊泡膜自身就含有一定的膜蛋白和脂類物質，羅斯曼發(fā)現(xiàn)，需要‘接頭’的兩者，即囊泡與目標細胞的膜上含有高度特異性的蛋白復合物，他們兩邊的結構，就像拉鏈一樣，兩邊完全錯開，但卻正好能因此緊密吻合?！蹦遗菽づc目標細胞膜上特定的蛋白質發(fā)生結合，囊泡便找到了自己的“送貨地址”。

在傳輸過程中還有很關鍵的一步，即“送貨時間”。

“一個東西什么時候送，是需要指令的，此外，不同的指令，代表著該送不同的物質，比如說A指令來了之后是送胰島素，B指令來了之后是送生長因子。因為，囊泡里的物質在傳遞時要按需傳遞，什么時候需要了才會釋放出去?！绷_深秋表示，第三位獲獎者托馬斯·祖德霍夫（ThomasSudhof）研究的重點是探索細胞內(nèi)囊泡在指令來了以后如何準確、有效地釋放內(nèi)容物。他認為可能有某種特定物質進入囊泡后，能與之發(fā)生反應，觸發(fā)兩膜的融合，即將之前已經(jīng)結合的“拉鏈”打開，促使它所攜帶的物質釋放出去。

早在20多年前，細胞囊泡的運輸形式就已被發(fā)現(xiàn)，但其調(diào)控運輸機制一直不明，此次獲獎的三位科學家，恰恰解答了細胞中囊泡內(nèi)的物質是如何被運輸、如何保證在準確的時間送往目的地、如何在細胞內(nèi)部以及在細胞之間有條不紊地運行等“機制”方面的問題。

囊泡壞了？

囊泡運輸發(fā)生障礙會導致細胞甚至整個人體出現(xiàn)很多功能障礙，這意味著若它們出問題，我們的小命也可能不保了

囊泡會不會累壞？不小心“違反交通規(guī)則”會出什么問題？

“囊泡運輸發(fā)生障礙會導致細胞甚至整個人體出現(xiàn)很多功能障礙?！痹诹_深秋看來，囊泡運輸是生命活動中非?；A而重要的一種存在形式，一旦出問題，我們的生命都可能受到威脅。

比如糖尿病，就是囊泡運輸機制突然“短路”的體現(xiàn)。

“目前臨床上的糖尿病大概分為兩類，型糖尿病和型糖尿病。”羅深秋解釋，“型糖尿病就是一種典型的囊泡運輸問題導致的疾病，因囊泡運輸有障礙，胰島素生成之后無法正常傳遞到細胞外的血液中。胰島素是能促進全身組織對葡萄糖進行攝取和利用的激素，它能抑制糖原的分解和糖原異生，起到降低血糖的作用，如果它出不去，血糖必然就會升高。”

又好比老年癡呆，其發(fā)病也與囊泡運輸障礙有關?！凹毎刻於紩铣珊芏嗟鞍踪|，而在細胞內(nèi)部也存在一個檢查、監(jiān)控機制，如果生產(chǎn)的蛋白質不‘合格’，那是要被‘退貨’的?！绷_深秋解釋，如被退回來的蛋白質無法及時以囊泡形式運走，就會堆積在神經(jīng)細胞里成為細胞的沉淀物，同時擠占了細胞內(nèi)細胞器原有的工作空間，讓它們無法干活。這樣，神經(jīng)細胞的功能發(fā)生紊亂，時間長了也就容易出現(xiàn)老年癡呆的癥狀。

因缺乏抗體導致抵抗力低下的情況也是一樣。由細胞合成的蛋白質抗體，在經(jīng)過細胞的“包裝加工”之后再被輸送到細胞外，這個過程同樣也是通過囊泡運輸形式實現(xiàn)的。如果囊泡的運輸出了問題，抗體無法從生產(chǎn)它的細胞內(nèi)輸送出來，無疑，人就缺少了抗體，抵抗力也會很差。

正因如此，評獎結果揭曉后，瑞典卡羅琳的臨床兒科腫瘤學教授亨特不吝贊美：“這些美麗的發(fā)現(xiàn)，對了解人體很重要，對了解神經(jīng)系統(tǒng)、糖尿病和免疫系統(tǒng)失調(diào)等不同器官的疾病，也很重要?！?/p>

囊泡在細胞生物學中指一類體積相對較小的細胞內(nèi)囊狀構造，這些囊泡外圍由至少一層的脂質雙層分子膜構成，用來存放、消化或傳送物質，如細胞產(chǎn)物或廢物。它就像一個皮球，它的“皮”是生物膜。在細胞這個繁忙的“工廠”中，不計其數(shù)的囊泡通過將細胞本身產(chǎn)生或從外面進來的一些分子與物質包裹起來進行傳送，以滿足生命活動。每個細胞都是一個生產(chǎn)和出口分子的工廠：胰島素被合成并釋放到血液中、神經(jīng)遞質從一個神經(jīng)細胞發(fā)送到另一個。這些分子被包裝在“囊泡”中，再運輸?shù)街車募毎?。這三名諾貝爾獎得主發(fā)現(xiàn)了這種運輸系統(tǒng)背后的分子機制，揭示了這些細胞貨物如何在正確的時間被運送到正確的細胞靶點。蘭迪·謝克曼發(fā)現(xiàn)了一系列囊泡運輸所需的基因；詹姆斯·羅斯曼闡明了允許囊泡與目標進行融合、使分子得以轉運的蛋白質機制。托馬斯·聚德霍夫則揭示了指導囊泡精確釋放貨物的信號機制。鑒于以上發(fā)現(xiàn)，羅斯曼、謝克曼和聚德霍夫揭示了控制細胞貨物進行精確轉運分子機制。如果轉運系統(tǒng)受到干擾，則會對有機體產(chǎn)生有害影響，并導致如神經(jīng)系統(tǒng)疾病，糖尿病，免疫疾病等病癥。細胞貨物如何轉運？在繁忙的大港口，為了確保正確的貨物在合適的時間被運送到正確的目的地，需要動用多個系統(tǒng)。同理，有著多個不同的細胞器的細胞也面臨著類似的問題：細胞產(chǎn)生的分子，如激素，神經(jīng)遞質，細胞因子和酶等，有些要被傳遞到細胞內(nèi)的其他地方，有些要被轉運出細胞——所有細胞貨物都要在正確的時刻被轉運到正確的地點。

囊泡（Vesicles）是由膜包裹的微型小泡，能夠帶著細胞貨物穿梭于細胞器間，也能夠與細胞膜融合，將貨物釋放到細胞外部。由于神經(jīng)激活過程中神經(jīng)遞質的釋放、代謝調(diào)節(jié)過程中激素的釋放都涉及這種轉運，囊泡轉運系統(tǒng)是非常重要的。那么，這些囊泡怎么知道何時在哪里交付貨物？從“堵車”現(xiàn)象中揭秘遺傳控制

蘭迪·謝克曼為細胞如何組織其轉運系統(tǒng)而深深著迷。在20世紀70年代，他決定利用酵母作為模式生物，研究這種轉運系統(tǒng)遺傳基礎。通過基因篩選，他發(fā)現(xiàn)了細胞轉運機制有缺陷的酵母細胞，這種酵母的細胞貨物轉運情況就好像安排不周的公共交通系統(tǒng)一樣：囊泡堆積在細胞的某些部位。他發(fā)現(xiàn)，是遺傳原因導致了這種“擁堵”，于是致力于鑒別與此相關的突變基因。謝克曼鑒定了能控制細胞轉運系統(tǒng)不同方面的三類基因，從而為介導囊泡轉運系統(tǒng)的嚴格調(diào)控機制提供了新的見解。精確對接詹姆斯·羅斯曼也對細胞轉運系統(tǒng)的本質深感好奇。他在20世紀80年代和90年代利用哺乳動物細胞研究囊泡轉運系統(tǒng)。羅斯曼發(fā)現(xiàn)一個蛋白復合物能使囊泡與他們的目標膜進行對接和融合。在融合過程中，囊泡和目標膜上的蛋白以類似拉鏈的方式結合。事實上，這樣的蛋白有很多，為了確保貨物被交付到一個精確的位置，它們只會以特異性的方式進行結合。囊泡結合細胞外膜釋放細胞貨物的原理與在細胞內(nèi)進行轉運的原理是相同的。原來，謝克曼鑒別的那些酵母基因中，有一部分基因的蛋白產(chǎn)物是與羅斯曼在在哺乳動物中發(fā)現(xiàn)的蛋白相對應的，這揭示了細胞轉運系統(tǒng)古老的演化起源?？偟膩碚f，他們揭示了細胞貨物轉運機制的關鍵部件。時間就是一切托馬斯·聚德霍夫則對大腦中神經(jīng)細胞間如何建立溝通很感興趣。囊泡通過與神經(jīng)細胞外膜融合將神經(jīng)遞質釋放到胞外。這一過程中起作用的正是羅斯曼和謝克曼發(fā)現(xiàn)的機制。然而，這些囊泡只有在需要向相鄰的神經(jīng)細胞發(fā)送神經(jīng)信號時才能將包含的神經(jīng)遞質放出，怎么對這個過程進行精確控制？鈣離子參與了這一過程。在20世紀90年代，聚德霍夫致力于搜索神經(jīng)細胞中的鈣離子敏感蛋白。他隨后揭示了對鈣離子內(nèi)流進行應答、并促使相鄰蛋白質迅速將囊泡結合到神經(jīng)細胞外膜的分子機制——拉鏈被打開、信號物質被釋放。聚德霍夫的發(fā)現(xiàn)解釋了囊泡轉運的時間精度是如何實現(xiàn)的，并闡釋了和囊泡中貨物的釋放可以通過信號加以控制。從囊泡轉運洞察疾病進程三名諾貝爾獎得